JP2011210676A - Fuel cell system - Google Patents

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Harumi Hashiguchi
春美 橋口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which makes it easy to open a cut-off valve when starting a fuel cell.SOLUTION: The fuel cell system (10) includes: a fuel cell (13) to generate electric power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidizer gas; an air inlet cut-off valve (40) to supply the oxidizer gas to the fuel cell (13); and an air outlet cut-off valve (60) to exhaust the oxidizer gas exhausted from the fuel cell (13). As an air compressor (14), when starting the fuel cell (13), after firstly making the air outlet cut-off valve (60) in an open state, a driving source of the air inlet cut-off valve (40) carries out opening operation of the air inlet cut-off valve (40).

Description

本発明は、遮断弁およびその遮断弁を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a cutoff valve and a fuel cell system including the cutoff valve.

燃料電池発電装置（以下、燃料電池と称す）は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する
発電装置である。かかる燃料電池発には、電解質膜と、これを挟持するアノード電
極及びカソード電極からなる単電池を複数積層した燃料電池本体が使用されている。そ
して、水素含有ガスをアノード電極に供給すると共に、空気などの酸素含有ガスをカソー
ド電極に供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して発電している。水素含有ガスと
しては、天然ガスなどの炭化水素を含む原燃料を水蒸気改質して得られる改質ガスなどが
使用されており、酸素含有ガスとしては空気などが使用されている。そして、付設したイ
ンバータ等で得られる直流電流を交流電流に変換して電力を回収している。 A fuel cell power generator (hereinafter referred to as a fuel cell) is a power generator that directly converts the combined energy of hydrogen and oxygen into electrical energy. For the fuel cell, a fuel cell main body is used in which a plurality of unit cells including an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane are stacked. A hydrogen-containing gas is supplied to the anode electrode, and an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated using an electrochemical reaction that occurs between the two electrodes. As the hydrogen-containing gas, a reformed gas obtained by steam reforming a raw fuel containing a hydrocarbon such as natural gas is used, and air or the like is used as the oxygen-containing gas. And the direct current obtained with the attached inverter etc. is converted into alternating current, and electric power is collect | recovered.

このような燃料電池において、運転を停止した際には、酸化剤極側の酸化剤供給流路中
に酸化剤ガスである空気が残留しており、燃料極側の燃料供給流路中には燃料ガスである
水素が残留した状態となっている。一方、停止中の燃料電池内では、燃料ガスである水素
がイオン交換膜を通って酸化剤極に移動し、逆に酸化剤ガスである空気中の酸素がイオン
交換膜を通って燃料極に移動するクロスリークが発生する。このクロスリークが発生すると、発電反応とは違う化学反応によって水素と酸素が結合して水が生成される。クロスリークによる水素と酸素の反応は、空気中の酸素が消費されてしまうと停止するものであるが、燃料電池の停止中に酸化剤供給流路に新たな空気が流れこむと、上記のクロスリークによる反応が継続して発生してしまう。すると、燃料電池内の酸化剤極と燃料極の電位の上昇によって燃料極と酸化剤極に含まれている触媒が劣化して触媒性能が低下し、燃料電池の性能低下につながってしまう。これを防止するために、特許文献１では、燃料電池の酸化剤供給口と排出口に電力で駆動するノーマルクローズ型の遮断弁を設けることにより、電力供給が断たれれば、前記燃料電池への空気（酸素）の流入を防止できるようにしている。特許文献２では、酸化剤供給口と排出口に電力で駆動するノーマルオープン型の遮断弁を設け、供給される駆動源によって遮断弁の開閉動作を行い、前記燃料電池への空気（酸素）の流入を防止できるようにしている。 In such a fuel cell, when the operation is stopped, air as an oxidant gas remains in the oxidant supply channel on the oxidant electrode side, and in the fuel supply channel on the fuel electrode side. The fuel gas, hydrogen, remains. On the other hand, in the stopped fuel cell, hydrogen as the fuel gas moves to the oxidant electrode through the ion exchange membrane, and conversely, oxygen in the air as the oxidant gas passes through the ion exchange membrane to the fuel electrode. A moving cross leak occurs. When this cross leak occurs, hydrogen and oxygen are combined by a chemical reaction different from the power generation reaction to produce water. The reaction between hydrogen and oxygen due to cross leak stops when oxygen in the air is consumed. However, if new air flows into the oxidant supply channel while the fuel cell is stopped, the above cross Reaction due to leaks will continue to occur. Then, the catalyst contained in the fuel electrode and the oxidant electrode deteriorates due to the increase in the potential of the oxidant electrode and the fuel electrode in the fuel cell, the catalyst performance is lowered, and the performance of the fuel cell is lowered. In order to prevent this, in Patent Document 1, by providing a normally closed shut-off valve driven by electric power at the oxidant supply port and the discharge port of the fuel cell, if the power supply is cut off, Inflow of air (oxygen) is prevented. In Patent Document 2, a normally open type shut-off valve that is driven by electric power is provided at an oxidant supply port and an exhaust port, and the shut-off valve is opened and closed by a supplied drive source so that air (oxygen) is supplied to the fuel cell. Inflow is prevented.

また、燃料電池停止時に遮断弁を閉じることにより燃料電池内は残留した空気と水素が反応することにより、燃料電池内の酸化剤ガス流路は負圧となる。このため、起動時に遮断弁を開ける時、大きな駆動力が必要となる。このため、特許文献２では、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に燃料電池内の酸化剤ガス流路は負圧を大気圧に開放する大気開放弁を設けている。   Further, when the shutoff valve is closed when the fuel cell is stopped, the remaining air and hydrogen react in the fuel cell, so that the oxidant gas flow path in the fuel cell becomes negative pressure. For this reason, a large driving force is required when opening the shut-off valve at the time of activation. For this reason, in Patent Document 2, an air release valve is provided between the shut-off valve of the oxidant discharge port and the oxidant gas flow path so that the oxidant gas flow path in the fuel cell opens a negative pressure to atmospheric pressure.

特開２００６−２２１８３６号公報JP 2006-221836 A 特開２００８−２６９８５７号公報JP 2008-269857 A

特許文献１、２のように燃料電池の酸化剤供給口と排出口に電磁式の遮断弁を設けると、複雑で大掛かりとなってしまう。また、発電した電気をこの制御のために消費してしまう問題もある。特許文献２のように、燃料電池内の酸化剤ガス流路の負圧を解除するために、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に電磁式の大気開放弁を設けると、制御装置が必要となる。又、この制御のために蓄電池の電気を消費してしまう問題もある。   If an electromagnetic shut-off valve is provided at the oxidant supply port and the discharge port of the fuel cell as in Patent Documents 1 and 2, it will be complicated and large. There is also a problem that the generated electricity is consumed for this control. As in Patent Document 2, in order to release the negative pressure of the oxidant gas flow path in the fuel cell, an electromagnetic air release valve is provided between the oxidant discharge port shut-off valve and the oxidant gas flow path. A control device is required. There is also a problem that the electricity of the storage battery is consumed for this control.

そこで、本発明は電磁式の弁を用いることなく、起動時の遮断弁の開弁性向上を図ることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve the openability of the shut-off valve at the time of start-up without using an electromagnetic valve.

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、燃料電池から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池起動時に空気出口遮断弁を先に開き、次に空気入口遮断弁を開く構成とした。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and an air inlet shut-off valve that supplies the fuel cell with the oxidant gas. In the fuel cell system including the air outlet shut-off valve that discharges the oxidant gas discharged from the fuel cell, the air outlet shut-off valve is opened first and then the air inlet shut-off valve is opened when the fuel cell is activated.

この場合は、空気入口遮断弁および空気出口遮断弁は、弁座と、弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、弁体を駆動するダイヤフラムと、弁体を閉弁に付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであると良い。   In this case, the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are a valve seat, a valve body that contacts the valve seat and seals the oxidant gas, a diaphragm that drives the valve body, and a valve body that is closed. A normally closed diaphragm type valve having a spring for biasing is preferable.

また、空気入口遮断弁と空気出口遮断弁は、駆動源である酸化剤ガスを供給する空気圧縮機により受圧室に酸化剤ガスを流すことによりバルブを開き、酸化剤ガスの供給が停止するとバルブは前記バネの付勢力により閉状態になると良い。   Also, the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are opened when the oxidant gas is flowed into the pressure receiving chamber by an air compressor that supplies the oxidant gas as a driving source, and when the supply of the oxidant gas is stopped. Is preferably closed by the biasing force of the spring.

また、空気出口遮断弁は、空気入口遮断弁よりも先に開弁を行うための酸化剤ガスの供給源から酸化剤ガスが直接供給されるポートを開弁動作側圧力室に備えていると良い。   The air outlet shut-off valve includes a port in the valve-opening operation side pressure chamber that is directly supplied with the oxidant gas from the oxidant gas supply source for opening the valve prior to the air inlet shut-off valve. good.

また、空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ空気出口遮断弁のバネ定数は、空気入口遮断弁のバネ定数より小さいと良い。   The diaphragm diameter of the air outlet shut-off valve is preferably equal to or greater than the diaphragm diameter of the air inlet shut-off valve, and the spring constant of the air outlet shut-off valve is preferably smaller than the spring constant of the air inlet shut-off valve.

本発明の空気遮断弁は空気で駆動できるので、複雑な制御装置は不要である。起動時に空気出口遮断弁は負圧下にあっても開弁ポートを備えているので負圧を解除し、開弁する事ができる。   Since the air shut-off valve of the present invention can be driven by air, a complicated control device is unnecessary. Even when the air outlet shut-off valve is under negative pressure at the time of start-up, it can be opened by releasing the negative pressure because it has a valve opening port.

この場合、空気出口遮断弁には、開弁を空気入口遮断弁より先に行うための酸化剤ガスが供給源から直接供給されるポートを有する事と、空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ空気出口遮断弁のバネ定数は空気入口遮断弁のバネ定数より小さくすれば、空気出口遮断弁の開弁が先に行われ、空気の衝撃圧力によるスタック内の電解質膜の保護を図ることができる。   In this case, the air outlet shut-off valve has a port to which oxidant gas for performing the valve opening prior to the air inlet shut-off valve is directly supplied from the supply source, and the diaphragm diameter of the air outlet shut-off valve is air If the diaphragm diameter of the inlet shut-off valve is equal to or greater than the diaphragm diameter and the spring constant of the air outlet shut-off valve is smaller than the spring constant of the air inlet shut-off valve, the air outlet shut-off valve is opened first, and the stack due to the impact pressure of air The inner electrolyte membrane can be protected.

本発明に係る燃料電池システムの実施形態における、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system in embodiment of the fuel cell system which concerns on this invention. 図１に示す、空気入口遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。FIG. 2 is a detailed sectional view showing an open state of the air inlet shut-off valve shown in FIG. 1. 図１に示す、空気入口遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。It is a detailed sectional view showing the closed state of the air inlet shut-off valve shown in FIG. 図１に示す、空気出口遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。It is a detailed sectional view showing the open state of the air outlet shut-off valve shown in FIG. 図１に示す、空気出口遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。It is a detailed sectional view showing the closed state of the air outlet shut-off valve shown in FIG.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮器１４と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿器１２を備えている。空気圧縮器１４と加湿器１２は圧縮空気供給管２１によって接続され、加湿器１２と燃料電池１３とは、加湿器１２において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２２と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿器１２に導く空気出口管２４とによって接続され、加湿器１２には空気を外部に排出する空気排出管２３が接続されている。空気入口管２２には空気入口遮断弁４０が設けられ、空気出口管２４には空気出口遮断弁６０が設けられている。また、空気入口管２２と空気出口遮断弁６０を接続するバイパス管２５が設けられている。空気圧縮器１４の出口には圧縮空気の圧力を測定する圧力センサ３１が設けられている。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 of the present embodiment includes a fuel cell 13 that is supplied with hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction, and air that is supplied to the fuel cell 13. The air compressor 14 for compressing the air and the humidifier 12 for humidifying the air supplied to the fuel cell 13 are provided. The air compressor 14 and the humidifier 12 are connected by a compressed air supply pipe 21, and the humidifier 12 and the fuel cell 13 connect the air humidified in the humidifier 12 to the air flow path of the fuel cell 13. The air inlet pipe 22 leading to 13a and the air outlet pipe 24 leading the air discharged from the air outlet 13b connected to the air flow path of the fuel cell 13 to the humidifier 12 are connected to the humidifier 12. An air discharge pipe 23 for discharging is connected. The air inlet pipe 22 is provided with an air inlet cutoff valve 40, and the air outlet pipe 24 is provided with an air outlet cutoff valve 60. Further, a bypass pipe 25 that connects the air inlet pipe 22 and the air outlet shut-off valve 60 is provided. A pressure sensor 31 for measuring the pressure of the compressed air is provided at the outlet of the air compressor 14.

以下、本実施形態の燃料電池システム１０に用いられている空気入口遮断弁４０の詳細構造について図２を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気入口遮断弁４０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のボディ４１を有する。ボディ４１は、連結された第１ボディ４１ａと第２ボディ４１ｂとを有する。ボディ４１は、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口５５と弁出口５６を備えている。弁入口５５と弁出口５６と連通する開弁用受圧室５８を複数の第１中空室４２および第２中空室４７に仕切るための仕切壁４６とを有する。第２ボディ４１ｂの内面の弁出口５６側には、弁座５７が設けられている。弁座５７は弁体５４が当接してシールするシール面となっている。第１中空室４２および第２中空室４７は弁軸４３の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。   Hereinafter, the detailed structure of the air inlet shutoff valve 40 used in the fuel cell system 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The air inlet shut-off valve 40 has a body 41 made of metal, hard resin or ceramics. The body 41 has a connected first body 41a and second body 41b. The body 41 includes a valve inlet 55 and a valve outlet 56 respectively connected to the air inlet pipe 22. A partition wall 46 for partitioning the valve-opening pressure receiving chamber 58 communicating with the valve inlet 55 and the valve outlet 56 into a plurality of first hollow chambers 42 and second hollow chambers 47 is provided. A valve seat 57 is provided on the inner surface of the second body 41b on the valve outlet 56 side. The valve seat 57 is a sealing surface that the valve body 54 contacts and seals. The first hollow chamber 42 and the second hollow chamber 47 are provided side by side in the axial direction of the valve shaft 43 (in the directions of arrows Y1 and Y2).

図２に示すように仕切壁４６のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔４５が形成されている。   As shown in FIG. 2, a valve shaft insertion hole 45 is formed in a substantially central region of the partition wall 46.

弁軸挿通孔４５は、弁軸４３を挿通するための仕切壁４６を厚み方向に貫通する。弁軸４３は長軸状をなしており、ボディ４１の仕切壁４６の弁軸挿通孔４５に移動可能に挿通されている。弁軸挿通孔４５の内壁面と弁軸４３の外壁面との間には、リング形状をなすシール部材４４が介在している。弁軸４３の先端部には、移動に伴い、弁出口５６を開閉させるための弁体５４が鍔状に形成されている。弁体５４は弁座５７に着座可能である。 The valve shaft insertion hole 45 penetrates the partition wall 46 for inserting the valve shaft 43 in the thickness direction. The valve shaft 43 has a long shaft shape and is movably inserted into the valve shaft insertion hole 45 of the partition wall 46 of the body 41. A ring-shaped seal member 44 is interposed between the inner wall surface of the valve shaft insertion hole 45 and the outer wall surface of the valve shaft 43. A valve body 54 for opening and closing the valve outlet 56 is formed at the distal end portion of the valve shaft 43 in the shape of a bowl. The valve body 54 can be seated on the valve seat 57.

図２に示すようにダイヤフラム５０は、ゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム５０には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。図２に示すようにダイヤフラム５０のダイヤフラム外端部５２は、ボディ４１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム５０の厚肉状のダイヤフラム外端部５２は、ボディ４１の第１ボディ４１ａと第２ボディ４１ｂとの挟持されて保持されている。ダイヤフラム５０のダイヤフラム内端部５３は、駆動板５１により弁軸４３に保持されている。   As shown in FIG. 2, the diaphragm 50 has a deformable film shape made of a polymer material such as rubber or resin. The diaphragm 50 may be embedded with a barrier layer for enhancing gas barrier properties or a reinforcing layer for reinforcement as needed. As shown in FIG. 2, the diaphragm outer end 52 of the diaphragm 50 is held by the body 41. That is, the thick diaphragm outer end 52 of the diaphragm 50 is held between the first body 41a and the second body 41b of the body 41. A diaphragm inner end 53 of the diaphragm 50 is held on the valve shaft 43 by the drive plate 51.

図２に示すようにダイヤフラム５０は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸４３を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室５８と、第２中空室４７を仕切る。第２中空室４７はダイヤフラム５０の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管４９が設けられている。ダイヤフラム５０は、コンボリューションとも呼ばれる膨出部５０ｍを持つ。膨出部５０ｍは、突部５０ｒを形成しつつ、弁軸４３の軸芯Ｐ１の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、ダイヤフラム５０については、膨出部５０ｍの頂点５０ｘよりも径内側の受圧面積が、ダイヤフラム５０の有効受圧面積（Ｓｉ）とされている。   As shown in FIG. 2, the diaphragm 50 includes a valve-opening pressure-receiving chamber 58 for moving the valve shaft 43 in the valve-opening direction (arrow Y <b> 2 direction) in response to the pressure of the gas pressure (fluid pressure), and a second hollow chamber 47. Partition. The second hollow chamber 47 is provided with an exhaust pipe 49 that prevents the pressure from increasing with the pressure received by the diaphragm 50. The diaphragm 50 has a bulging portion 50m also called convolution. The bulging portion 50m is arranged in a ring shape around the shaft core P1 of the valve shaft 43 while forming the protrusion 50r, and can be turned upside down according to the pressure. Here, according to the valve on which the diaphragm having the convolution is mounted, basically, with respect to the diaphragm 50, the pressure receiving area inside the diameter of the apex 50x of the bulging portion 50m is the effective pressure receiving area (Si) of the diaphragm 50. ).

図２に示すようにダイヤフラム５０と仕切壁４６との間には、ダイヤフラム５０の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ４８が設けられている。この付勢バネ４８は、コイル状をなしており、第２中空室４７に弁軸４３の外周側において弁軸４３と同軸的に配置されている。付勢バネ４８のバネ定数を（ＩＳｃ）とする。   As shown in FIG. 2, a valve closing biasing spring 48 for assisting the valve closing operation of the diaphragm 50 is provided between the diaphragm 50 and the partition wall 46. The biasing spring 48 has a coil shape, and is arranged coaxially with the valve shaft 43 in the second hollow chamber 47 on the outer peripheral side of the valve shaft 43. The spring constant of the biasing spring 48 is (ISc).

次に空気出口遮断弁６０の詳細構造について図４を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気出口遮断弁６０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のボディ６１を有する。ボディ６１は、連結された第１ボディ６１ａと第２ボディ６１ｂとを有する。ボディ６１は、空気出口管２４にそれぞれ接続された弁出口７６と弁入口７８を備えている。弁入口７８と弁出口７６とを連通する開弁用受圧室７５を開弁動作側圧力室７０に仕切るための仕切壁７３とを有する。開弁動作側圧力室７０には、バイパス管２５と接続された駆動用空気を出し入れするポート７１が設けられている。第２ボディ６１ｂの内面の弁出口７８側には、弁座７９が設けられている。弁座７９は弁体７７が当接して空気をシールするシール面となっている。   Next, the detailed structure of the air outlet shutoff valve 60 will be described with reference to FIG. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The air outlet shut-off valve 60 has a body 61 made of metal, hard resin or ceramics. The body 61 has a connected first body 61a and second body 61b. The body 61 includes a valve outlet 76 and a valve inlet 78 connected to the air outlet pipe 24, respectively. There is a partition wall 73 for partitioning the valve-opening pressure receiving chamber 75 communicating with the valve inlet 78 and the valve outlet 76 into the valve-opening operation-side pressure chamber 70. The valve opening side pressure chamber 70 is provided with a port 71 for taking in and out driving air connected to the bypass pipe 25. A valve seat 79 is provided on the valve outlet 78 side of the inner surface of the second body 61b. The valve seat 79 is a sealing surface that seals the air by contacting the valve body 77.

図４に示すように仕切壁７３のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔７４が形成されている。弁軸挿通孔７４は、弁軸６４を挿通するための仕切壁７３を厚み方向に貫通する。弁軸６４は長軸状をなしており、ボディ６１の仕切壁７３の弁軸挿通孔７４に移動可能に挿通されている。弁軸挿通孔７４の内壁面と弁軸６４と外壁面との間には、リング形状をなすシール部材７２が介在している。弁軸６４の先端部には、移動に伴い、弁入口７８を開閉させるための弁体７７が鍔状に形成されている。弁体７７は弁座７９に着座可能である。   As shown in FIG. 4, a valve shaft insertion hole 74 is formed in a substantially central region of the partition wall 73. The valve shaft insertion hole 74 penetrates the partition wall 73 for inserting the valve shaft 64 in the thickness direction. The valve shaft 64 has a long shaft shape and is movably inserted into the valve shaft insertion hole 74 of the partition wall 73 of the body 61. A ring-shaped seal member 72 is interposed between the inner wall surface of the valve shaft insertion hole 74, the valve shaft 64, and the outer wall surface. A valve body 77 for opening and closing the valve inlet 78 with movement is formed at the tip of the valve shaft 64 in a bowl shape. The valve body 77 can be seated on the valve seat 79.

図４に示すようにダイヤフラム６７はゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム６７には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。   As shown in FIG. 4, the diaphragm 67 has a deformable film shape made of a polymer material such as rubber or resin. The diaphragm 67 may be embedded with a barrier layer for enhancing gas barrier properties or a reinforcing layer for reinforcement as needed.

図４に示すようにダイヤフラム６７のダイヤフラム外端部６６は、ボディ６１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム６７の厚肉状のダイヤフラム外端部６６は、ボディ６１の第１ボディ６１ａと第２ボディ６１ｂとの挟持されて保持されている。ダイヤフラム６７のダイヤフラム内端部６９は、駆動板６８により弁軸６４に保持されている。   As shown in FIG. 4, the diaphragm outer end 66 of the diaphragm 67 is held by the body 61. That is, the thick diaphragm outer end portion 66 of the diaphragm 67 is held between the first body 61 a and the second body 61 b of the body 61. A diaphragm inner end 69 of the diaphragm 67 is held on the valve shaft 64 by a drive plate 68.

図４に示すようにダイヤフラム６７は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸６４を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室７０と、中空室６３を仕切る。中空室６３はダイヤフラム６７の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管６２が設けられている。中空室６３および第２開弁動作側圧力室７０は弁軸６４の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。ダイヤフラム６７は、コンボリューションとも呼ばれる膨出部６７ｍを持つ。膨出部６７ｍは、突部６７ｒを形成しつつ、弁軸６４の軸芯Ｐ２の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、ダイヤフラム６７については、膨出部６７ｍの頂点６７ｘよりも径内側の受圧面積が、ダイヤフラム６７の有効受圧面積（Ｓｏ）とされている。   As shown in FIG. 4, the diaphragm 67 partitions the hollow chamber 63 from the valve-opening pressure-receiving chamber 70 for moving the valve shaft 64 in the valve-opening direction (the direction of the arrow Y <b> 2) as the gas pressure (fluid pressure) is received. . The hollow chamber 63 is provided with an exhaust pipe 62 that prevents the pressure from increasing as the diaphragm 67 receives the pressure. The hollow chamber 63 and the second valve opening operation side pressure chamber 70 are provided in series in the axial direction of the valve shaft 64 (in the directions of arrows Y1 and Y2). The diaphragm 67 has a bulging portion 67m also called convolution. The bulging portion 67m is arranged in a ring shape around the shaft core P2 of the valve shaft 64 while forming a protrusion 67r, and can be turned upside down according to pressure. Here, according to the valve on which the diaphragm having the convolution is mounted, basically, with respect to the diaphragm 67, the pressure receiving area inside the diameter from the apex 67x of the bulging portion 67m is the effective pressure receiving area (So) of the diaphragm 67. ).

図４に示すようにダイヤフラム６７と第１ボディ６１ａとの間には、ダイヤフラム６７の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ６５が設けられている。この付勢バネ６５は、コイル状をなしており、中空室６３に弁軸６４の外周側において弁軸６４と同軸的に配置されている。付勢バネ６５のバネ定数を（ＯＳｃ）とする。空気出口遮断弁６０のダイヤフラム６７の有効受圧面積（Ｓｏ）の方が、空気入口遮断弁４０のダイヤフラム５１の有効受圧面積（Ｓｉ）と同等以上に設定されている。本実施例によれば、Ｓｏ／Ｓｉ＝１．００〜２．００の範囲内、１．００〜１．５０の範囲内、１．０１〜１．４０の範囲内、１．０２〜１．３５の範囲内に設定されていることが好ましい。また、空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数（ＯＳｃ）の方が、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数（ＩＳｃ）より小さく設定されている。本実施例によれば、ＯＳｃ／ＩＳｃ＝０．２０〜０．８０の範囲内、０．５０〜０．８０の範囲内、０．６０〜０．７９の範囲内、０．６５〜０．７８の範囲内に設定されていることが好ましい。   As shown in FIG. 4, a valve closing biasing spring 65 for assisting the valve closing operation of the diaphragm 67 is provided between the diaphragm 67 and the first body 61a. The biasing spring 65 has a coil shape, and is disposed coaxially with the valve shaft 64 in the hollow chamber 63 on the outer peripheral side of the valve shaft 64. The spring constant of the urging spring 65 is defined as (OSc). The effective pressure receiving area (So) of the diaphragm 67 of the air outlet cutoff valve 60 is set to be equal to or greater than the effective pressure receiving area (Si) of the diaphragm 51 of the air inlet cutoff valve 40. According to this example, So / Si = within a range of 1.00 to 2.00, within a range of 1.00 to 1.50, within a range of 1.01 to 1.40, 1.02 to 1. It is preferably set within the range of 35. Further, the spring constant (OSc) of the biasing spring 65 of the air outlet cutoff valve 60 is set smaller than the spring constant (ISc) of the biasing spring 48 of the air inlet cutoff valve 40. According to this example, OSc / ISc = 0.20-0.80, 0.50-0.80, 0.60-0.79, 0.65-0. It is preferably set within the range of 78.

図４に示すようにダイヤフラム６７と第１ボディ６１ａとの間には、ダイヤフラム６７の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ６５が設けられている。この付勢バネ６５はコイル状をなしており、中空室６３に弁軸６４の外周側において弁軸６４と同軸的に配置されている。   As shown in FIG. 4, a valve closing biasing spring 65 for assisting the valve closing operation of the diaphragm 67 is provided between the diaphragm 67 and the first body 61a. The biasing spring 65 has a coil shape, and is disposed coaxially with the valve shaft 64 in the hollow chamber 63 on the outer peripheral side of the valve shaft 64.

（燃料電池システム停止時）
燃料電池システム１０の停止の際には、制御装置１１の指令により、空気圧縮機１４を停止することにより、空気入口遮断弁４０が先に空気出口遮断弁６０が次に閉となる。閉弁用付勢バネ４８、６５で弁体４４、７７は弁座５７、７９をシールする。空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数は、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数より小さく設定されているので、空気入口遮断弁４０が先に閉じてから空気出口遮断弁６０が閉じる。これにより、燃料電池１３内の酸化剤ガスである空気の圧力上昇による電解質膜への破れを防止できる。また、燃料電池１３は外気と遮断され、酸化剤ガスである空気が流入しなくなる。しかし、燃料電池１３の内部の空気流路には酸化剤ガスである酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって、空気の体積が減少することにより、燃料電池１３の空気流路の圧力は負圧に低下してくる。そのため、空気入口遮断弁４０と空気出口遮断弁６０の弁体４４、７７は弁座５７、７９により強くシールされる。 (When the fuel cell system is stopped)
When the fuel cell system 10 is stopped, the air compressor 14 is stopped according to a command from the control device 11 so that the air inlet shut-off valve 40 is closed first and the air outlet shut-off valve 60 is closed next. The valve bodies 44 and 77 seal the valve seats 57 and 79 with the urging springs 48 and 65 for valve closing. Since the spring constant of the biasing spring 65 of the air outlet shut-off valve 60 is set smaller than the spring constant of the biasing spring 48 of the air inlet shut-off valve 40, the air outlet shut-off is performed after the air inlet shut-off valve 40 is closed first. Valve 60 closes. Thereby, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being broken due to an increase in the pressure of the air that is the oxidant gas in the fuel cell 13. Further, the fuel cell 13 is shut off from the outside air, and air that is an oxidant gas does not flow in. However, air containing oxygen, which is an oxidant gas, remains in the air flow path inside the fuel cell 13, and the reaction between oxygen in the residual air and hydrogen remaining in the hydrogen flow path. As the air volume decreases, the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 decreases to a negative pressure. Therefore, the valve bodies 44 and 77 of the air inlet cutoff valve 40 and the air outlet cutoff valve 60 are strongly sealed by the valve seats 57 and 79.

（燃料電池システム起動時）
次に、本実施例の燃料電池システム１０において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が、負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁４０は図３に示すように、負圧によって弁体５４が弁座５７に当接、密着し、弁入口５５は大気開放状態になっている。また、空気出口遮断弁６０は図５に示すように、負圧によって弁体７７が弁座７９に当接、密着し、弁出口７６は大気開放状態になっている。 (When the fuel cell system is started)
Next, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the start-up from a state where the pressure of the air flow path of the stopped fuel cell 13 is negative will be described. In the state where the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 is negative, the air inlet shut-off valve 40 is brought into close contact with the valve seat 57 by the negative pressure as shown in FIG. The atmosphere is open. Further, as shown in FIG. 5, the air outlet shut-off valve 60 is brought into contact with and in close contact with the valve seat 79 due to negative pressure, and the valve outlet 76 is open to the atmosphere.

図１に示す制御装置１１は、まず、空気圧縮機１４を駆動する指令を出力する。この指令によってバイパス管２５に空気が流れる。このバイパス管２５は図４に示す空気出口遮断弁６０のポート７１に連通している。このポート７１から空気を開弁動作側圧力室７０に開弁圧として供給する。空気出口遮断弁６０のダイヤフラム６７の有効受圧面積は、空気入口遮断弁４０のダイヤフラム５０の有効受圧面積と同等以上、且つ空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数は、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数より小さく設定されているので、ポート７１からの空気圧が小さくても、ダイヤフラム６７は大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。   The control device 11 shown in FIG. 1 first outputs a command for driving the air compressor 14. By this command, air flows through the bypass pipe 25. The bypass pipe 25 communicates with the port 71 of the air outlet shutoff valve 60 shown in FIG. Air is supplied from the port 71 to the valve opening operation side pressure chamber 70 as a valve opening pressure. The effective pressure receiving area of the diaphragm 67 of the air outlet shut-off valve 60 is equal to or greater than the effective pressure receiving area of the diaphragm 50 of the air inlet shut-off valve 40, and the spring constant of the urging spring 65 of the air outlet shut-off valve 60 is Since it is set smaller than the spring constant of the urging spring 48 of 40, the diaphragm 67 receives a large valve opening pressure in the valve opening direction (arrow Y2 direction) even if the air pressure from the port 71 is small.

この結果、ダイヤフラム６７が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸６４が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座７９に着座していた弁体７７が弁座から離間し、弁体７７が開弁し、大気開放状態の弁出口７６と弁入口７８が連通する。これにより、空気が燃料電池１３の空気流路と各遮断弁４０、６０によって、封止されている負圧領域に侵入し、燃料電池１３の空気流路の負圧が低下してくる。燃料電池１３の空気流路の負圧が低下すると、負圧による弁体５４、７７の弁座５７、７９の吸引力が低下し、弁体５４、７７にかかる閉弁方向の力が小さくなってくる。この状態で、空気圧縮機１４からの空気を空気供給管２２を通して、空気入口遮断弁４０の開弁動作側圧力室５８の開弁圧として供給する。そして、ダイヤフラム５０が開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。この結果、ダイヤフラム５０が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸４３が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座５７に着座していた弁体５４が弁座５７から離間し、弁体５４が開弁し、弁入口５５と弁出口５６が連通する。   As a result, the diaphragm 67 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), the valve shaft 64 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and the valve body 77 seated on the valve seat 79 is removed from the valve seat. The valve body 77 opens, the valve body 77 opens, and the valve outlet 76 and the valve inlet 78 that are open to the atmosphere communicate with each other. As a result, air enters the sealed negative pressure region by the air flow path of the fuel cell 13 and the shutoff valves 40 and 60, and the negative pressure of the air flow path of the fuel cell 13 decreases. When the negative pressure of the air flow path of the fuel cell 13 decreases, the suction force of the valve seats 57 and 79 of the valve bodies 54 and 77 due to the negative pressure decreases, and the force in the valve closing direction applied to the valve bodies 54 and 77 decreases. Come. In this state, the air from the air compressor 14 is supplied as the valve opening pressure of the valve opening operation side pressure chamber 58 of the air inlet shutoff valve 40 through the air supply pipe 22. Then, the diaphragm 50 receives the valve opening pressure in the valve opening direction (arrow Y2 direction). As a result, the diaphragm 50 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), the valve shaft 43 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and the valve body 54 seated on the valve seat 57 is moved to the valve seat 57. The valve body 54 is opened, and the valve inlet 55 and the valve outlet 56 communicate with each other.

このように、燃料電池システム１０起動時は、空気出口遮断弁６０を先に開けてから、空気入口遮断弁４０を後で開けることにより、燃料電池１３内の酸化剤ガスである空気の衝撃圧力によるスタック内の電解質膜の保護を図ることができる。   Thus, when the fuel cell system 10 is started, the air outlet shut-off valve 60 is opened first, and then the air inlet shut-off valve 40 is opened later, so that the impact pressure of air that is the oxidant gas in the fuel cell 13 Therefore, it is possible to protect the electrolyte membrane in the stack.

１０ 燃料電池システム
１１ 制御装置
１２ 加湿器
１３ 燃料電池
１４ 空気圧縮機
３１ 圧力センサ
４０ 空気入口遮断弁
４１ ボディー
４２ 第１中空室
４３ 弁軸
４７ 第２中空室
４８ 付勢バネ
５１ ダイヤフラム
５４ 弁体
５７ 弁座
５８ 開弁用受圧室
６０ 空気出口遮断弁
６１ ボディー
６３ 中空室
６４ 弁軸
６５ 開弁用受圧室
６７ ダイヤフラム
７０ 開弁動作側圧力室
７１ ポート
７７ 弁体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 11 Control apparatus 12 Humidifier 13 Fuel cell 14 Air compressor 31 Pressure sensor 40 Air inlet shut-off valve 41 Body 42 First hollow chamber 43 Valve shaft 47 Second hollow chamber 48 Energizing spring 51 Diaphragm 54 Valve body 57 Valve seat 58 Opening pressure receiving chamber 60 Air outlet shutoff valve 61 Body 63 Hollow chamber 64 Valve shaft 65 Opening pressure receiving chamber 67 Diaphragm 70 Opening operation side pressure chamber 71 Port 77 Valve body

Claims (5)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、
燃料電池から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁と、
を備える燃料電池システムにおいて、
燃料電池起動時に空気出口遮断弁を開にした後、空気入口遮断弁の開動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An air inlet shut-off valve for supplying oxidant gas to the fuel cell;
An air outlet shut-off valve for discharging the oxidant gas discharged from the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
A fuel cell system comprising: opening an air outlet cutoff valve after starting an air outlet cutoff valve when starting the fuel cell; 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁および前記空気出口遮断弁は弁座と、
弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、
弁体を駆動するダイヤフラムと、
弁体を閉弁に付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are a valve seat,
A valve body that contacts the valve seat and seals the oxidant gas;
A diaphragm that drives the valve body;
A fuel cell system, characterized in that it is a normally closed diaphragm type valve provided with a spring that biases the valve body toward the valve closing. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁と前記空気出口遮断弁は、駆動源である酸化剤ガスを供給する空気圧縮機により受圧室に酸化剤ガスを流すことによりバルブを開き、酸化剤ガスの供給が停止するとバルブは前記バネの付勢力により閉状態になることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are opened when an oxidant gas is supplied to the pressure receiving chamber by an air compressor that supplies an oxidant gas as a drive source, and the valve is opened when the supply of the oxidant gas is stopped. Is closed by the biasing force of the spring. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気出口遮断弁は、酸化剤ガスの供給源から酸化剤ガスが直接供給され、開弁動作側圧力室に連通して開弁を行うためのポートを備えていることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The air outlet shut-off valve is provided with a port that is directly supplied with an oxidant gas from an oxidant gas supply source and communicates with a valve-opening operation side pressure chamber to open the valve. system. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、前記空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ前記空気出口遮断弁のバネ定数は、前記空気入口遮断弁のバネ定数より小さい事を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel cell characterized in that a diaphragm diameter of the air outlet cutoff valve is equal to or larger than a diaphragm diameter of the air inlet cutoff valve, and a spring constant of the air outlet cutoff valve is smaller than a spring constant of the air inlet cutoff valve. system.
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